خازن چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

اگر بخواهیم خیلی ساده توضیح دهیم، خازن قطعه‌ای است که می‌تواند انرژی الکتریکی را برای مدت کوتاهی در میدان الکتریکی خود ذخیره کند. خازن معمولاً از دو بخش رسانا تشکیل شده که بین آن‌ها یک ماده عایق قرار دارد.

زمانی که به خازن ولتاژ اعمال می‌شود، روی دو سمت آن بار الکتریکی جمع می‌شود. وقتی شرایط مدار تغییر کند، خازن می‌تواند بخشی از انرژی ذخیره‌شده را دوباره به مدار پس بدهد.

ظرفیت خازن یعنی چه؟

مهم‌ترین عددی که روی یک خازن می‌بینیم، ظرفیت آن است. ظرفیت نشان می‌دهد خازن در یک ولتاژ مشخص چه مقدار بار الکتریکی می‌تواند ذخیره کند.

واحد ظرفیت خازن فاراد (F) است. از آنجا که یک فاراد برای بسیاری از مدارهای الکترونیکی مقدار بزرگی است، معمولاً با واحدهای کوچک‌تر سروکار داریم:

• µF میکروفاراد
• nF نانوفاراد
• pF پیکوفاراد

برای نمونه، روی یک خازن الکترولیتی ممکن است عبارت 1000µF و روی یک خازن سرامیکی مقادیری در محدوده نانوفاراد یا پیکوفاراد مشاهده کنیم.

در این رابطه C ظرفیت، V ولتاژ و Q مقدار بار ذخیره‌شده است. برای شروع یادگیری لازم نیست این رابطه را حفظ کنید؛ مهم‌تر این است که بدانید با تغییر ظرفیت و ولتاژ، رفتار خازن در مدار نیز تغییر می‌کند.

مهم‌ترین کاربردهای خازن در مدار

انواع خازن

1) خازن سرامیکی

خازن سرامیکی یکی از رایج‌ترین خازن‌ها در بردهای الکترونیکی است. این خانواده معمولاً در مقادیر نسبتاً کوچک استفاده می‌شود و در مدارهای فرکانس بالا، فیلتر نویز و بای‌پس تغذیه کاربرد زیادی دارد.

خازن‌های سرامیکی کوچک معمولاً قطب مثبت و منفی ندارند و می‌توان آن‌ها را از هر دو جهت در مدار قرار داد.

2) خازن الکترولیتی آلومینیومی

خازن‌های الکترولیتی معمولاً ظرفیت بیشتری نسبت به خازن‌های سرامیکی دارند و به همین دلیل در بخش تغذیه دستگاه‌ها بسیار رایج‌اند.

شکل استوانه‌ای آن‌ها روی بسیاری از بردها قابل تشخیص است. این خازن‌ها معمولاً قطب‌دار هستند و اتصال اشتباه آن‌ها می‌تواند باعث خرابی خازن شود.

3) خازن تانتالیوم

خازن تانتالیوم در اندازه کوچک می‌تواند ظرفیت قابل توجهی داشته باشد. این خازن نیز معمولاً قطب‌دار است و باید به پلاریته و محدوده ولتاژ آن توجه شود.

خازن‌های تانتالیومی را می‌توان در بعضی بردهای دیجیتال، مخابراتی و تجهیزات فشرده مشاهده کرد.

4) خازن فیلم

در خازن‌های فیلم از لایه‌های نازک پلیمری به‌عنوان عایق استفاده می‌شود. این خازن‌ها معمولاً پایداری خوبی دارند و در مدارهای صوتی، فیلترها، مدارهای AC و بخش‌هایی که کیفیت و پایداری اهمیت دارد استفاده می‌شوند.

5) خازن پلی‌استر

خازن پلی‌استر یکی از انواع رایج خازن فیلم است. در مدارهای عمومی، فیلتر، کوپلاژ سیگنال و پروژه‌های آموزشی بسیار دیده می‌شود.

6) خازن SMD

همانند مقاومت، عبارت SMD بیشتر به روش نصب قطعه مربوط است. خازن‌های SMD مستقیماً روی سطح برد نصب می‌شوند و در موبایل، لپ‌تاپ، تلویزیون و تقریباً تمام بردهای مدرن تعداد بسیار زیادی از آن‌ها وجود دارد.

بسیاری از خازن‌های سرامیکی SMD هیچ نوشته‌ای روی بدنه ندارند و مقدار آن‌ها باید از شماتیک، BOM یا اندازه‌گیری مناسب مشخص شود.

7) سوپرخازن

سوپرخازن‌ها ظرفیت بسیار بیشتری نسبت به خازن‌های معمولی دارند. آن‌ها می‌توانند برای نگهداری کوتاه‌مدت انرژی، پشتیبان بعضی مدارها و سیستم‌هایی که تعداد زیاد چرخه شارژ و دشارژ نیاز دارند استفاده شوند.

8) خازن متغیر

در خازن متغیر می‌توان ظرفیت را تغییر داد. این نوع خازن در مدارهای تنظیم فرکانس و برخی گیرنده‌ها یا مدارهای RF کاربرد دارد.

9) تریمر خازنی

تریمر خازنی نسخه کوچک و قابل تنظیم خازن است که معمولاً برای تنظیم دقیق مدار در هنگام کالیبراسیون استفاده می‌شود.

10) خازن‌های ایمنی X و Y

این خازن‌ها برای کار در قسمت‌های خاصی از ورودی برق شهر طراحی شده‌اند و باید استاندارد حفاظتی مناسب داشته باشند.

11) خازن راه‌انداز و دائم‌کار موتور

در بسیاری از موتورهای تک‌فاز از خازن برای ایجاد اختلاف فاز و کمک به راه‌اندازی یا کارکرد موتور استفاده می‌شود.

خازن راه‌انداز و خازن دائم‌کار الزاماً یکسان نیستند و باید با مشخصات صحیح موتور انتخاب شوند.

مقایسه سریع خازن‌های پرکاربرد

خازن قطب‌دار و بدون قطب چه تفاوتی دارند؟

بعضی خازن‌ها مانند بسیاری از خازن‌های الکترولیتی و تانتالیومی دارای قطب مثبت و منفی هستند.

روی خازن الکترولیتی معمولاً یک نوار روی بدنه، سمت پایه منفی را مشخص می‌کند. هنگام تعویض این خازن‌ها باید جهت نصب با مدار مطابقت داشته باشد.

در مقابل، بسیاری از خازن‌های سرامیکی و فیلم قطب مشخصی ندارند و جهت نصب آن‌ها از نظر پلاریته اهمیتی ندارد.

عدد ولتاژ روی خازن به چه معناست؟

روی بسیاری از خازن‌ها علاوه بر ظرفیت، یک عدد ولتاژ نیز نوشته شده است؛ مثلاً 470µF 25V.

عدد 25V ظرفیت خازن نیست؛ بلکه ولتاژ نامی مجازی است که خازن برای کار در آن طراحی شده است. ولتاژ واقعی مدار نباید از محدوده مجاز قطعه عبور کند.

هنگام جایگزینی یک خازن، معمولاً می‌توان خازنی با همان ظرفیت و ولتاژ نامی بالاتر استفاده کرد؛ البته ابعاد، نوع خازن، ESR، دما و سایر مشخصات نیز باید با مدار سازگار باشند.

ESR خازن چیست؟

خازن واقعی کاملاً ایده‌آل نیست و مقداری مقاومت داخلی دارد. یکی از پارامترهای مهم آن ESR یا مقاومت سری معادل است.

بالا رفتن ESR در خازن‌های الکترولیتی می‌تواند باعث ایجاد مشکل در منابع تغذیه سوئیچینگ، ریپل بیشتر، گرم شدن و عملکرد نامناسب مدار شود.

به همین دلیل در تعمیرات، ممکن است یک خازن از نظر ظرفیت تقریباً درست به نظر برسد اما ESR نامناسب داشته باشد.

چطور خازن را تست کنیم؟

روش تست به نوع خازن و ابزار موجود بستگی دارد. مولتی‌مترهایی که حالت Capacitance دارند می‌توانند مقدار ظرفیت را اندازه‌گیری کنند. برای بعضی تعمیرات نیز از ESR Meter استفاده می‌شود.

آیا خازن بادکرده حتماً خراب است؟

بادکردگی، نشتی یا باز شدن قسمت بالای خازن الکترولیتی از نشانه‌های واضح خرابی است. اما همه خازن‌های خراب ظاهر غیرعادی ندارند؛ بنابراین سالم بودن ظاهری به‌تنهایی کافی نیست.

هنگام انتخاب خازن به چه چیزهایی توجه کنیم؟

سه اشتباه رایج درباره خازن

اشتباه اول: هر خازن هم‌ظرفیتی قابل جایگزینی است

ممکن است دو خازن هر دو 100µF باشند، اما ولتاژ، ESR، نوع ساخت، دمای کاری و کاربرد آن‌ها متفاوت باشد.

اشتباه دوم: فقط ظرفیت خازن مهم است

ظرفیت تنها یکی از مشخصات خازن است. ولتاژ نامی، نوع دی‌الکتریک، ESR، تلرانس و شرایط کاری نیز می‌توانند مهم باشند.

اشتباه سوم: خازن بعد از قطع برق همیشه بی‌خطر است

بعضی خازن‌ها می‌توانند پس از قطع برق برای مدتی ولتاژ ذخیره‌شده داشته باشند. این موضوع به‌خصوص در منابع تغذیه و دستگاه‌های ولتاژ بالا اهمیت دارد.

سوالات متداول

جمع‌بندی

خازن یکی از قطعات پایه اما بسیار مهم در الکترونیک است. شناخت خازن فقط به خواندن عدد میکروفاراد محدود نمی‌شود؛ نوع خازن، ولتاژ نامی، پلاریته، ESR و محل استفاده آن نیز اهمیت زیادی دارند.

اگر تازه وارد الکترونیک شده‌اید، سعی کنید بعد از این مقاله بتوانید نوع خازن را تشخیص دهید، مقدار ظرفیت و ولتاژ را بخوانید، قطب خازن الکترولیتی را پیدا کنید و خازن را به‌صورت ایمن با ابزار مناسب تست کنید.